ванкорское месторождение. Выбор разрушающего инструмента для вскрытия терригенных отложений содержит 87 страниц, 34 рисунка, 13 таблиц, использованных источников 39
 Скачать 2.19 Mb.
|
|
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт нефти и газа Кафедра бурения нефтяных и газовых скважин УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой ______ _____________ подпись инициалы, фамилия « _____» ________ 20 ___ г. ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА по направлению «Бурение нефтяных и газовых скважин» Выбор разрушающего инструмента для вскрытия терригенных отложений Научный руководитель профессор, д.т.н. _________________ Н. Г. Квеско Выпускник гр. ГБ12-01 _________________ А.А. Блохин Красноярск 2016 2 РЕФЕРАТ Выпускная квалификационная работа по теме «Выбор разрушающего инструмента для вскрытия терригенных отложений» содержит 87 страниц, 34 рисунка, 13 таблиц, использованных источников 39. НЕФТЬ, ГАЗ, ПОРОДОРАЗРУЩАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ, ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО, ДОЛОТО С ФИКСИРОВАННЫМИ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИМИ РЕЗЦАМИ, PDC, IADC Объект исследования – породоразрушающий инструмент. Цель работы: - изучение конструкции долот; - изучение механизма разрушения горной породы различными типами долот; - анализ работы долот на Ванкорском месторождении; - предложить альтернативную программу долот для бурения скважин на Ванкорском месторождении. В выпускной квалификационной работе изучены конструкции долот и сопоставлены с условиями бурения; также рассмотрены классификации долот по стандартам Всесоюзного научно-исследовательского института буровой техники (ВНИИБТ) и Международной ассоциации буровых подрядчиков (IADC); изучен механизм разрушения горной породы различными типами долот; разобрана методика выбора долот для конкретных условий бурения. В итоге, подготовлено описание процесса подбора долот для конкретных условий бурения и предложена собственная долотная программа для бурения скважин на Ванкорском месторождении. Для выполнения выпускной квалификационной работы использовался текстовый редактор Microsoft Word, таблицы и графики выполнялись в Microsoft Exсel; рисунки – графические программы Adobe Photoshop и Microsoft Paint. Презентация подготовлена с помощью Microsoft Power Point. 3 СОДЕРЖАНИЕ Реферат………………………………………………………………………...…..…2 Содержание…………………………………………………………………………..3 Введение………………………………………………………………………….…5 1 Характеристика осадочных терригенных пород……………………………......8 1.1 Осадочные горные породы и их составные части……………..………….....8 1.2 Гранулометрический состав пород………………………………………….9 1.3 Текстурная характеристика породы…………………………………………10 2 Основные закономерности разрушения горных пород при бурении…………11 3 Общие сведения о долотах………………………………………………………13 4 Шарошечные долота……………………………………………………………..18 4.1 Конструкция …………………………………………………………………..18 4.2 Классификация ВНИИБТ………………………………………………….....20 4.3 Долота с фрезерованным вооружением……………………………………..24 4.4 Долота с твердосплавными вставками………………………………………27 4.5 Гидравлика долот……………………………………………………………..28 4.6 Опора долот…………………………………………………………………....30 4.7 Классификация по коду IADC………………………………………………..32 4.8 Описание износа шарошечных долот………………………………………..33 5 Долота с фиксированными алмазосодержащими резцами (PDC)…………….37 5.1 Общие сведения о долотах PDC……………………………………………...37 5.2 Конструкция …………………………………………………………………..38 5.3 Классификация ВНИИБТ…………………………………………………….46 5.4 Классификация по коду IADC………………………………………………..48 5.5.Гидравлика долот …………………………………………………………….49 5.6 Технология изготовления матричных долот PDC…………………………..51 5.7 Технология изготовления стальных долот PDC………………………….....52 5.8 Сравнение стальных и матричных долот…....................................................53 5.9 Описание износа………………………………………………………………54 4 6 Порядок подбора долот для конкретных условий бурения……………………55 6.1 Анализ литологии разреза………………………………………………........55 6.2 Анализ условий работы и режимов бурения………………………………..57 6.3 Подбор долот………………………………………………………………….63 6.4 Программа отработки долот………………………………………………….65 7 Подбор долот на примере Ванкорского месторождения………………………68 7.1 Опыт работы компании Schlumberger на Ванкорском месторождении…...68 7.2 Общая информация о месторождении………………………………….…...73 7.3 Литология и стратиграфия…………………………………………………....76 7.4 Выбор долотной программы…………………………………………………79 Заключение………………………………………………………………………….84 5 ВВЕДЕНИЕ Буровые долота являются ключевым элементом любого бурового комплекса. Экономическая эффективность бурового проекта во многом определяется эксплуатационными показателями буровых долот. Как показывает практика, за счет правильного подбора буровых долот можно получить экономию капитальных затрат при строительстве глубоких нефтяных и газовых скважин до 30-40% от общей суммы затрат по проекту строительства. Рынок буровых долот в России в последние годы претерпевает существенные, как качественные, так и количественные изменения. Важным фактором, характеризующим российский рынок, является усиление конкурентной борьбы среди поставщиков буровых долот. Сегодня на российском рынке присутствуют почти все мировые производители долот. Конкурентное соперничество между ними в этих условиях приобретает особую остроту. Любой буровой подрядчик сегодня стоит перед реальным выбором при решении использовать долота той или иной компании-производителя или продавца. Одна из основных проблем нефтегазодобывающей промышленности России – качественное ухудшение сырьевой базы. Основные месторождения Урала, Западной Сибири и Поволжья вышли на поздние стадии разработки со снижающейся добычей нефти. Выработка их запасов достигла 54%, а доля трудно извлекаемых увеличилась до 55-60%. Обеспечить достаточную рентабельность их освоения можно только за счет сокращения сроков строительства скважин путем внедрения инноваций в технологию бурения, использования сервисного обслуживания и современного породоразрушающего инструмента с улучшенными эксплуатационными показателями. Многообразие физико-механических свойств горных пород, различные глубины их залегания, а также использование различных способов бурения вызывают необходимость применения разных конструкций и типов долот. 6 Механические и абразивные свойства разбуриваемых горных пород варьируются в широких пределах. Целевое назначение долот также различно. Следовательно, условия их работы, требования к ним разнообразны и для их выполнения необходима гамма долот. На сегодняшний день на российском рынке доля буровых долот PDC, используемых при бурении, составляет более 70%, соответственно оставшаяся доля приходится на шарошечные долота. Спрос на долота с резцами PDC объясняется тем, что этот тип долот более эффективен в процессе разрушения породы, чем шарошечные. Все значительные экономические показатели, связанные с повышением эффективности бурения скважин, достигнуты благодаря активному внедрению этого типа породоразрушающего инструмента. В первую очередь это касается Западной Сибири, так как вместе с переходом на бурение PDC долотами существенно сократились сроки строительства скважин. Выбор долота является этапом, определяющим результативность и эффективность технологического процесса бурения скважин. В данной выпускной квалификационной работе проведено сравнение шарошечных долот и долот с фиксированными алмазосодержащими резцами. Целью данной выпускной квалификационной работы является описание технически обоснованного процесса корректного подбора линейки долот для бурения скважин различного назначения (преимущественно эксплуатационных на нефть и газ). Использование описанных методов позволит повысить грамотность технологического персонала бурового подрядчика непосредственно в полевых условиях и поможет оперативно принять верное решение при необходимости выбора долот для спуска в скважину или планирования программы отработки долот. Чтобы реализовать поставленную цель, в выпускной квалификационной работе решены следующие задачи (для трехшарошечных долот и долот с фиксированными алмазосодержащими резцами): 7 - изучить классификацию долот; - изучить строение (конструкцию) долот; - изучить технологии изготовления; - изучить механизм разрушения горной породы различными типами долот; - определить зависимость конструкции долот и условия бурения; - провести анализ схем очистки забоя; - провести сравнительный анализ работы различных типов долот на конкретном примере; Так как в данной выпускной квалификационной работе речь идет о долотах для сплошного бурения, то долота для колонкового бурения и специальных целей затронуты не будут. Также не рассматриваются долота для работы с продувкой воздухом. 8 1 Характеристика осадочных (терригенных) пород 1.1 Осадочные горные породы и их составные части Осадочные горные породы (ОГП) представляют собой тонкую оболочку поверхности Земли, которую можно образно назвать «плесенью» (по биологической составляющей), либо «ржавчиной» (по участию H2O). В целом на долю ОГП приходится лишь десятая часть земной коры и 0,1 % от общего объема Земли. В то же время они покрывают до 75 % ее территории, а толщина осадочной оболочки геоида в среднем составляет 2,2 км (на континентах 4,2 и в океанах 0,3 км). На отдельных площадях она может превышать 20 км, а с ОГП в целом связано более 90 % всех осваиваемых полезных ископаемых, включая практически 100 % горючих (нефть, газ, уголь). Состав ОГП, с самых общих позиций, представлен в таблице 1.1. При их высоком разнообразии, основным распространением (не включая вулканические отложения) пользуются алевропелиты (около 50 %), песчаники (25 %) и карбонаты (около 20 %). Таблица 1.1 – Основные составные части осадочных горных пород По месту образования (относительно источ- ника материала) По механизму образования Примеры пород Ксеногенные (гр. xenos – чужой): наложенные Вулканогенные Туфы, туффиты Аллотигенные (гр. allos – иной, другой): пере- несенные извне, как правило, в результате механической диффе- ренциации Обломочные: кластолиты (англ. clast – об- ломок) и глини- стые или пелито- вые (гр. pelos – глина) Терригенные, обра- зованные на суше (лат. terra – земля) Песчаники, алев- ролиты, аргилли- ты Эдафогенные, обра- зованные на дне океана (гр. edaphos – почва) Аутигенные (гр. autos – сам): образовавшиеся на месте, либо при хи- мической дифферен- циации Хемогенные (седиментационные и по- стгенетические) Соли, метасома- тические доломи- ты Органогенные Угли, биогенные известняки 9 Главным объектом изучения в нефтегазовой литологии являются коллекторы– слои или комплексы слоев с пустотно-поровым (трещинным) пространством, в котором возможно перемещение флюидов под действием сил гравитации и (или) при перепаде давления. На долю терригенных коллекторов приходится более половины мировых разведанных запасов нефти и при- мерно ¾ запасов газа. В Западно-Сибирской нефтегазоносной мегапровинции эти значения близки к 100 %. 1.2 Гранулометрический состав пород Терригенные породы являются продуктом первичного разрушения исходных образований посредством физического и (или) химического выветривания. При транспортировке материала, преимущественно под воздействием силы тяжести и в водной среде, происходит его дифференциация механического характера. Результатом сложного процесса, который часто не поддается расшифровке ввиду отсутствия признаков промежуточных этапов, являются непосредственно наблюдаемые или закрепленные в геологической летописи ОГП. Нередко время, которое понадобилось для их формирования, составляет лишь первые проценты от общей длительности соответствующего интервала геологической хронологии. Размерность частиц, слагающих породу, и соотношение выделенных фракций – несомненно ведущие параметры, характеризующие терригенные отложения. В значительной степени это определяется и подкрепляется возможностью количественноохарактеризовать данные признаки – физическими методами, микроскопическим изучением, снятием параметров с электрокаротажных кривых и др. Тем самым они наиболее воспроизводимы и объективны среди комплекса признаков, характеризующих терригенные горные породы. Типы горных пород по их гранулометрической размерности представлены в таблице 1.2. 10 Таблица 1.2 – Типы горных пород по их гранулометрической размерности Линейный размер частиц S, мм Шка ла φ Ф= - log 2 S Пород ы Названия в английской литературе Реко- менд. обо- значе- ния Преобл а- дающи й способ пе- ремеще ния частиц 1,0 2 2,00 -1 Гравий, гравелит Gra- nule Gra- vel Волоче ни- ем, качени- ем 1 1,00 0 П ес ки , пес ча - ни ки грубозернистый Very coarse S and Сальта ци- ей 0,1 1/2 0,50 1 крупнозернистый Coarse 1/4 0,25 2 среднезернистый Medium 1/8 0,125 3 мелкозернистый Fine 1/1 6 0,0625 4 тонкозернистый Very fine 0,01 1/3 2 0,0312 5 А ле вр ит ы , ал ев ро - ли ты крупнозернистый Coarse S il t Во взве- шенно м состоя нии 1/6 4 0,0156 6 средне- зернистый визуальн о трудно раз- личимы: описыва ются как мелко - зернист ый Medium 1/128 0,0078 7 мелко- зернистый Fine 1/2 56 0,0039 8 тонко- зернистый Very fine … … … Глина, аргиллит Clay Коллои д- ная сус- пензия 1.3 Текстурная характеристика породы Текстура породы, определяемая взаимным расположением слагающих ее компонентов (частиц), является важным признаком как для установления обстановки осадконакопления (решение геологической задачи), так и для определения физических характеристик, в первую очередь проницаемости породы (сугубо практический вопрос, связанный с изучением ФЕС – фильтрационно-емкостных свойств). Для терригенных отложений в общем плане можно выделить три основных типа текстур: массивные (нужно иметь в виду, что визуально неслоистая порода зачастую обнаруживает четкую текстуру при более глубоком изучении – например, при шлифовке или под микроскопом), слоистые и слоеватые, т. е. с неотчетливой «недоразвитой» слоистостью. [1] 11 2 Основные закономерности разрушения горных пород при бурении Основной вид деформации, под действием которой породы в процессе бурения разрушаются – вдавливание. При статическом вдавливании разрушение породы происходит циклично и свойственно хрупким, прочным горным породам. В хрупких, но менее прочных горных породах разрушение также носит цикличный, но менее скачкообразный характер. Разрушение малопрочных пород носит плавный характер. При динамическом вдавливание (ударах), горные породы могут разрушаться при напряжениях, меньших, чем критические, соответствующих пределу прочности. Таким образом, горная порода может разрушаться как при действии статических, так и динамических нагрузок. Сила удара в процессе динамического разрушения зависит от нагрузки и скорости ее приложения. Эффект разрушения в значительной мере зависит от формы твердого тела, которым разрушают горную породу. Все эти и некоторые другие факторы оказывают влияние на объемную работу разрушения. Удельная контактная работа определятся отношением полной работы к площади контакта разрушающего инструмента. Объемная работа разрушения при динамическом вдавливании в несколько раз выше, чем при статическом. Порода, составляющая поверхность забоя и подлежащая разрушению, находится в условиях неравномерного всестороннего сжатия, создаваемого давлением столба бурового раствора, заполняющего скважину, и боковым давлением горных пород. Сама поверхность забоя неоднородна и не представляет гладкую поверхность: отдельные частицы породы возвышаются над общим уровнем поверхности. При действии разрушающего инструмента на породу эти частицы первыми воспринимают давление и передают его соседним частицам. Некоторые из них дробятся, другие выламываются, третьи почти прямолинейно проталкиваются в направлении движения разрушающего инструмента. 12 При бурении нефтяных и газовых скважин основным инструментом, при помощи которого разрушается горная порода, является долото. Долото проникает в породу и разрушает еѐ вследствие следующих перемещений: 1) Поступательного сверху вниз под действием осевой нагрузки на долото; 2) Вращательного, осуществляемого гидравлическим забойными двигателем, электробуром или ротором посредством бурильных труб. Горная порода разрушается долотом путем резания, скалывания или дробления (рис.1.1). При резании осевая нагрузка действует непрерывно и еѐ можно считать статической. В процессе скалывания и дробления приложенное усилие действует на забой прерывно, что вызывает дополнительные динамические нагрузки на забой (удары). Резание может осуществляться лопастными долотами. Скалывание происходит при использование лопастных и шарошечных долот. Дробление осуществляется только шарошечными долотами. Алмазные долота разрушают породу путем истирания и резания. а) резание; б) дробление; в) истирание Рисунок 2.1 - Схема разрушения горной породы на забое 13 3 Общие сведения о долотах Долото – породоразрушающий инструмент (ПРИ), предназначенный для разрушения горной породы на забое при бурении скважины. Общепринятая классификация ПРИ подразумевает разделение по принципу разрушения горной породы, назначению, конструктивному исполнению и типу материала породоразрушающих элементов. К примеру, Дмитриев А.Ю.: в учебном пособии «Основы технологии бурения скважин» предлагает следующий вариант классификации ПРИ: По принципу разрушения горной породы: - дробяще-скалывающего действия - применяется для разбуривания неабразивных и абразивных пород средней твердости, твердых, крепких и очень крепких; - истирающе-режущего действия – применяется для бурения в породах средней твердости, а так же при чередовании высокопластичных маловязких пород с породами средней твердости и даже твердыми; - режуще-скалывающего действия – применяется для разбуривания вязких, пластичных и малообразивных пород небольшой твердости. По назначению: - для бурения сплошным забоем (без отбора керна) – буровые долота; - для бурения по кольцевому забою (с отбором керна) – бурголовки; - для специальных работ в пробуренной скважине (выравнивание и расширение ствола) и в обсадной колонне (разбуривание цементного камня и т.д.). По конструктивному исполнению: - лопастной; - шарошечный; - секторный (алмазные долота). По материалу породоразрушающих элементов: - со стальным вооружением; 14 - с твердосплавным вооружением; - с алмазным вооружением; - с алмазно-твердосплавным вооружением.[2] Конструктивные особенности бурового породоразрушающего инструмента исходят из реализации способа воздействия на горную породу. Наибольшее распространение в практике буровых работ получили долота следующих типов: шарошечные долота дробяще-скалывающего и дробящего действия для бурения пород любой твердости. В зависимости от конструктивного исполнения при разрушении горной породы производится ударное, или сдвигающее и ударное воздействие на забой вооружением шарошки; алмазные и твердосплавные буровые долота истирающе-режущего действия для бурения твердых, но хрупких пород. Особенно эффективны алмазные долота при бурении крепких пород на больших глубинах; лопастные долота режуще-скалывающего действия для бурения мягких и пластичных пород роторным способом. В зависимости от числа рабочих органов шарошечные долота бывают одно-, двух-, трех-, четырех-, шести- и многошарошечные. Наиболее распространен трехшарошечный вариант долота. Конструкция такого долота отличается наилучшей вписываемостью в круглое сечение скважин трех конических шарошек, обеспечивающих оптимальное центрирование и устойчивость долота.[3] Что касается долот режущего действия с алмазосодержащими резцами, то в литературе встречаются различные названия долот этого типа. В данной работе будет использоваться термин «долота с фиксированными алмазосодержащими резцами», как наиболее точно отражающий принцип работы долот типа PDC и отвечающий требованиям, предъявляемым к породоразрушающему инструменту, используемому при бурении глубоких нефтяных, газовых, геологических и другого назначения скважин. 15 Рисунок 3.1 - Классификация породоразрушающего инструмента Породоразрушающий инструмент, прежде всего, предназначен для концентрированной передачи энергии горной породе с целью ее разрушения, поэтому условия работы буровых долот настолько жесткие, сложные и трудно контролируемые, что в машиностроении трудно найти инструмент, работающий в аналогичных условиях. Реализуемая через долото мощность, приходящаяся на 1 см его диаметра, может достигать 5-10 кВт, статическая осевая нагрузка — 10-15 кН. Динамическая осевая нагрузка может превышать статическую в 1,5 — 2 раза. [4] Различные виды нагрузок (динамические и статические, крутящий момент, продольные, поперечные и крутильные колебания) приводят к тому, что элементы долот в процессе бурения испытывают практически все виды напряжений, достигающих иногда предела текучести и прочности материала. Поэтому их конструкция должна быть рассчитана на экономически 16 обоснованный срок службы, так как долото является инструментом одноразового использования. Однако, одна из причин быстрого распространения долот PDC – возможность восстановления инструмента путем замены изношенных резцов, что при отслеживании износа долота и своевременной реставрации делает его фактически многоразовым. Одним из основных технико-экономических показателей работы долота является проходка на долото – количество метров, пройденное долотом до его полного износа. Прохода на долото при заданной механической скорости пропорциональна долговечности долота. В целом же долговечность долота (и его элементов) зависит от следующих факторов: совершенства конструкции; качества изготовления; условий и режима отработки; усталостной прочности и ударной вязкости; коррозионной стойкости и износостойкости инструментальных материалов. Термостойкость – одно из главных свойств, которыми должен обладать материал для изготовления элементов долот, так как тонкие поверхностные слои элементов вооружения и опоры разогреваются до 800— 1000 °С по причине практически полного перехода реализуемой механической энергии при разрушении горной породы и в узлах трения долот в тепловую. Конструкция долота и особенно конструкция промывочного узла определяют качество очистки забоя, влияют на механическую скорость бурения и на ресурс долота. Также долото должно формировать ствол скважины цилиндрической формы (что особенно важно для качественного разобщения пластов) с сохранением еѐ диаметра, исключать заклинивание инструмента при СПО и т.д. Кроме того, механические и абразивные свойства разбуриваемых горных пород могут варьироваться в широких пределах в процессе бурения одной скважины. Ко всему этому добавляется абразивная и коррозионная активность окружающей среды (разрушаемая горная порода, буровой раствор 17 со шламом и химическими реагентами, минерализованные пластовые воды), повышенные пластовые давления (до 100 МПа) и температура (до 150-250 С). Все вышеуказанные требования к долотам довольно разнообразны, поэтому для проведения буровых работ потребуется широкая гамма долот. 18 4 |